음성합성 LSI의 소리 출력 메커니즘

소리란?

소리를 LSI로 출력하려면 어떤 시스템이 필요한지 이해하기 위해, 전기 신호를 통해 소리가 출력되는 메커니즘에 대해 설명하겠습니다.

먼저, 소리는 진동을 통해 전달되고, 진동은 사인파로 표현됩니다.
사인파에는 주파수가 존재하며, 주파수가 20Hz~20kHz 범위의 가청 주파수일 경우, 그 진동이 사람의 귀에 소리로서 들리게 됩니다.

전기 신호로 소리가 출력되는 메커니즘

다이나믹 스피커에서 소리가 출력되는 메커니즘에 대해 설명하겠습니다. 스피커에 내장된 코일에 전류가 흐르면, 코일과 영구자석 사이에 로렌츠의 힘 (플레밍의 왼손 법칙에 의해 발생하는 힘)이 발생합니다. 그리고, 코일에 흐르는 전류값을 전기 신호로서 변환시키면 코일은 진동합니다. 이 진동 주파수가 가청 주파수에 들어가는 경우, 소리로서 들리게 됩니다. 구체적으로는 코일이 진동하면서 이 진동이 코일에 연결된 콘 (Corn)으로 전달되고, 콘이 공기를 진동시켜 소리가 발생하게 됩니다.
즉, 스피커에 소리와 같은 형태의 전기 신호를 입력하면, 그에 해당하는 소리가 출력됩니다. 이것이 바로 전기 신호를 통해 소리를 출력하는 메커니즘입니다.

본 내용에서 알 수 있듯이 소리는 사인파로 표현됩니다. 따라서 소리는 전기 신호로 재현할 수 있습니다. 이러한 신호를 생성하기 위해서는 단순히 전기 신호로서 전압값을 시간적으로 변화시키는 아날로그 신호와 PWM 신호를 사용하는 방법이 있습니다. 아날로그 신호는 진폭과 주파수를 통해 스피커를 제어하는 반면, PWM 신호는 펄스 폭 제어를 통해 아날로그 신호를 재현하여 스피커를 제어합니다.

아날로그 신호

아날로그 신호의 큰 특징은 『연속성』입니다. 알기 쉽게 설명하자면, 중간 값이 무한대로 존재하기 때문에 이를 그래프화하면 1개의 매끄러운 선으로 연결되는 신호입니다. 실제로 생활 주변에서는 이러한 아날로그 신호가 많이 존재합니다. 소리도 그중 하나입니다. 소리 신호와 동일한 파형의 아날로그 전기 신호를 스피커에 입력함으로써, 스피커에서 소리를 출력할 수 있습니다.

PWM 신호

PWM (Pulse Width Modulation)이란, 펄스 폭을 변경함으로써 스피커에 인가되는 에너지를 변화시켜 소리를 출력하는 신호입니다.

펄스란 단시간에 급격하게 변화하는 신호의 총칭으로, 디지털 신호도 포함됩니다. 펄스 폭은 “H” 펄스 폭과 “L” 펄스 폭이 있으며, 이들의 합계를 펄스 주기라고 합니다.
PWM의 가장 중요한 파라미터로 「듀티비」가 있으며, “H” 펄스 폭÷펄스 주기로 산출할 수 있습니다.
이러한 듀티비를 조정함으로써, 스피커 등을 세밀하게 제어할 수 있습니다.

PWM 신호로 소리가 출력되는 이유

디지털 신호인 PWM 신호를 스피커에 입력해도 소리가 출력되는 이유는 PWM 신호의 펄스 듀티비를 통해 아날로그 신호를 재현할 수 있기 때문입니다. 디지털 신호는 아날로그 신호가 아니지만, 듀티비를 통해 아날로그 요소를 생성합니다. PWM 신호의 생성은 원래의 아날로그 신호를 샘플링하고, 샘플링한 파형의 진폭에 비례하는 듀티비를 갖는 펄스를 만들어 내는 것입니다. 따라서, PWM을 LPF (Low Pass Filter)에 통과시키면 아날로그 신호로 변환됩니다.